模块化多电平变换器快速模型预测控制器设计
发布时间：2022-01-16 09:42
针对模块化多电平变换器（MMC）的传统模型预测控制器计算量大,且难以实际应用的问题,提出了一种结合子模块电压排序算法的快速模型预测控制策略。基于MMC离散数学模型所设计的快速模型预测控制器优化了控制目标实施,并简化了循环优化计算过程,易于应用到具有大量子模块的MMC系统中。新型快速模型预测控制器在保留传统模型预测控制优点的同时,显著降低了计算负担,并可以最小化输出电压的电压变化率。最后,搭建了三相MMC原理样机系统并开展了相关试验,试验结果验证了新型控制策略的有效性。
【文章来源】：电气传动. 2020,50(10)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
MPC方案的基本控制原理
图2为三相MMC系统电路配置，图2中L0为桥臂电感；“p”和“n”分别代表上、下桥臂，上、下桥臂均有N个SM,SM中上管为S1，下管为S2。控制S1和S2可将电容CSM旁路或接入主电路，对应SM处于关闭状态和导通状态。可通过改变上、下桥臂中导通SM数量来调节输出电压。不同的调制方法对应MMC输出相电压电平可为N+1或2N+1[22]。图2中，Udc和Idc分别为直流链路电压和电流；upj和unj分别为第j相（j=a,b,c）的上桥臂电压和下桥臂电压；ipj和inj分别为第j相上桥臂和下桥臂的电流；uj和ij分别为第j相的输出电压和交流侧电流。描述第j相动态行为的方程可表示为
图3为所提出的快速MPC方案的框图。在每个采样周期内，MPC算法和电压排序算法将连续执行，以实现前述3个控制目标。图3中，首先对所需的电量进行采样，并基于式（14）和式（15）对第k+1步长的控制量进行预测，然后进行成本函数最小化计算，以选择最优电压电平数。同时，将最优电压电平对应的上、下桥臂中的导通状态的SM数量（分别由Moptpj和Moptnj表示）发送到电压排序算法部分。综上，MPC算法部分确定最优输出相电压，而电压排序算法部分确定最优开关状态。快速MPC算法的流程图如图4所示。第1个步长中，由于没有前一个步长的最优电平（由levelold表示），故先设置为0，随即启动电量采样，然后执行成本函数计算和状态升级，从最优电平可对应得到桥臂中处于导通状态的最优SM数量Moptrj。在该采样周期的MPC算法部分完成后，即进行电压排序算法部分。电压排序算法将对每相桥臂中的电容电压进行分类。如果桥臂电流为正，则具有较低电容电压的SM将被设置为导通状态以对电容器充电，而其他SM将被设置为关闭状态。如果桥臂电流为负，则具有较高电容电压的SM将被设置为导通状态以对电容器放电，而其他SM将被设置为关闭状态。电压排序算法执行完毕后将得到最终的最优开关状态。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于快速排序算法的模块化多电平换流器电容电压均衡策略[J]. 王坤,刘开培,张志轩,李威,秦亮. 电测与仪表. 2018(05)
[2]基于循环寻优的模块化多电平换流器模型预测控制[J]. 张虹,葛得初,白洋. 电工电能新技术. 2018(02)
[3]应用于MMC环流抑制的准PR控制器参数设计[J]. 赵庆玉,余发山,何国锋,韩耀飞,樊晓虹,申慧方. 可再生能源. 2018(01)
[4]模块化多电平高压变频技术研究综述[J]. 徐殿国,李彬彬,周少泽. 电工技术学报. 2017(20)
[5]MMC-HVDC系统桥臂阻抗不对称模型预测控制[J]. 刘英培,杨海悦,梁海平,王小宁,孙海新,赵玮. 电网技术. 2017(11)
[6]基于MMC的多端直流输电系统下垂控制策略[J]. 刘长富,张玉龙,竺炜,池喜洋,巫晓云. 电力科学与技术学报. 2017(02)
[7]模块化多电平变换器模型预测控制策略研究[J]. 朱经纬,付文轩. 电气传动. 2017(05)
[8]模块化多电平换流器电容电压平衡并行排序方法[J]. 常非,杨中平,陈俊,贾海林,许树楷. 高电压技术. 2016(10)
[9]一种应用于中压领域的MMC混合调制策略[J]. 杨喆明,付超,王彦旭,李春来. 电力电子技术. 2016(07)
[10]适用于高压大容量MMC-HVDC系统的改进低开关频率均压控制策略[J]. 罗永捷,李耀华,李子欣,高范强,王平,赵聪,徐罗那. 中国电机工程学报. 2017(05)
本文编号：3592406
【文章来源】：电气传动. 2020,50(10)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
MPC方案的基本控制原理
图2为三相MMC系统电路配置，图2中L0为桥臂电感；“p”和“n”分别代表上、下桥臂，上、下桥臂均有N个SM,SM中上管为S1，下管为S2。控制S1和S2可将电容CSM旁路或接入主电路，对应SM处于关闭状态和导通状态。可通过改变上、下桥臂中导通SM数量来调节输出电压。不同的调制方法对应MMC输出相电压电平可为N+1或2N+1[22]。图2中，Udc和Idc分别为直流链路电压和电流；upj和unj分别为第j相（j=a,b,c）的上桥臂电压和下桥臂电压；ipj和inj分别为第j相上桥臂和下桥臂的电流；uj和ij分别为第j相的输出电压和交流侧电流。描述第j相动态行为的方程可表示为
图3为所提出的快速MPC方案的框图。在每个采样周期内，MPC算法和电压排序算法将连续执行，以实现前述3个控制目标。图3中，首先对所需的电量进行采样，并基于式（14）和式（15）对第k+1步长的控制量进行预测，然后进行成本函数最小化计算，以选择最优电压电平数。同时，将最优电压电平对应的上、下桥臂中的导通状态的SM数量（分别由Moptpj和Moptnj表示）发送到电压排序算法部分。综上，MPC算法部分确定最优输出相电压，而电压排序算法部分确定最优开关状态。快速MPC算法的流程图如图4所示。第1个步长中，由于没有前一个步长的最优电平（由levelold表示），故先设置为0，随即启动电量采样，然后执行成本函数计算和状态升级，从最优电平可对应得到桥臂中处于导通状态的最优SM数量Moptrj。在该采样周期的MPC算法部分完成后，即进行电压排序算法部分。电压排序算法将对每相桥臂中的电容电压进行分类。如果桥臂电流为正，则具有较低电容电压的SM将被设置为导通状态以对电容器充电，而其他SM将被设置为关闭状态。如果桥臂电流为负，则具有较高电容电压的SM将被设置为导通状态以对电容器放电，而其他SM将被设置为关闭状态。电压排序算法执行完毕后将得到最终的最优开关状态。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于快速排序算法的模块化多电平换流器电容电压均衡策略[J]. 王坤,刘开培,张志轩,李威,秦亮. 电测与仪表. 2018(05)
[2]基于循环寻优的模块化多电平换流器模型预测控制[J]. 张虹,葛得初,白洋. 电工电能新技术. 2018(02)
[3]应用于MMC环流抑制的准PR控制器参数设计[J]. 赵庆玉,余发山,何国锋,韩耀飞,樊晓虹,申慧方. 可再生能源. 2018(01)
[4]模块化多电平高压变频技术研究综述[J]. 徐殿国,李彬彬,周少泽. 电工技术学报. 2017(20)
[5]MMC-HVDC系统桥臂阻抗不对称模型预测控制[J]. 刘英培,杨海悦,梁海平,王小宁,孙海新,赵玮. 电网技术. 2017(11)
[6]基于MMC的多端直流输电系统下垂控制策略[J]. 刘长富,张玉龙,竺炜,池喜洋,巫晓云. 电力科学与技术学报. 2017(02)
[7]模块化多电平变换器模型预测控制策略研究[J]. 朱经纬,付文轩. 电气传动. 2017(05)
[8]模块化多电平换流器电容电压平衡并行排序方法[J]. 常非,杨中平,陈俊,贾海林,许树楷. 高电压技术. 2016(10)
[9]一种应用于中压领域的MMC混合调制策略[J]. 杨喆明,付超,王彦旭,李春来. 电力电子技术. 2016(07)
[10]适用于高压大容量MMC-HVDC系统的改进低开关频率均压控制策略[J]. 罗永捷,李耀华,李子欣,高范强,王平,赵聪,徐罗那. 中国电机工程学报. 2017(05)
本文编号：3592406
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